DE2134075A1 - Anordnung zum Abdichten des laser aktiven Stabes eines Festkörperlasers - Google Patents

Description

Am.ieldorin; Stuttgart, den 5· Juli 1971

Hughes Aircraft Company P 2351 S/kg

Gontiiiola Avenue and

Teale Sbreet

Culver City, Calif., V.St.A.

Anordnung zum Abdichten des laseraktiven Stabes eines Festkörperlasers

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Ab-? dichten des laseraktiven Stabes eines Festkörperlasers gegenüber dessen Gehäuse, in-dem zur Kühlung des laseraktiven Stabes ein unter Druck stehendes Gas umgewälzt wird.

Eg sind Kühlsysteme für Festkörperlaser bekannt, bei denen ein unter hohem Druck stehendes Gas, wie beispielsweise Stickstoff unter einem Druck von etwa 2o at, umgewälzt und an dem laseraktiven Stab vorbeigeführt wird (US-Patentschrift 3 487 328)· Dabei sind sowohl der laseraktive

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Stab als auch die Anregungölaiape vollständig von dem ■umgewälzten, unter Druck stehenden Ga3 umschlossen. Bei dieseim System durchdringt das von dem Laser emittierte kohärente Licht das umgewälzte Gas. Die Bewegung des Gases verursacht jedoch Turbulenzen in einem solchen Maße, daß sie die Aktivität des Lasers stören und dessen Wirkungsgrad deutlich reduzieren* Daher musste ein Weg gefunden v/erden, um das unter hohem Druck stehende, umgewälzte Kühlgas an dem laseraktiven .Stat) vorbeizufüh- ψ ren, ohne den Gasturbulenzen die Möglichkeit zu geben, den Betrieb des Lasers zu sturen·

Eine Lösung für dieses Turbulenzproblein besteht darin, den Weg für das Kühlgas so auszubilden, daß das emittierte kohärente Licht das umgewälzte Kühlgas nicht durchdringt, beispielsweise durch Abdichten des Gehäuses des Festkörperlasers gegenüber den Enden des laseraktiven Stabes. Um einen Zugang zum Inneren des Gehäuses zu ermöglichen, beispielsweise zum Entfernen oder Ersetzen des laseraktiven Stabes, ist weiterhin eine lösbare Abdichtanordnung wünschenswert. Beide For- * derungen können erfüllt werden, indem entfernbare Rohre an den Enden des laseraktiven Stabes angebracht und diese Rohre gegenüber dem laseraktiven Stab und dem Gehäuse mit Hilfe von O-Ringen abgedichtet werden. Bei Dichtungsanardnungen mit O-Ringen ergab sich jedoch das Problem, daß die von der Anregungs-Blitzlampe ausgehende und am laseraktiven Stab gestreute Strahlung das Material des O-Ringes angriff und zu einer Zerstörung der Abdichtung führte. Es wurden Versuche gemacht, die Enden

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des laseraktiven Stabes mit einem undurchsichtigen Iiaterial zu beschichten, um zu verhindern, daß die Streustrahlung den O~Ring erreicht. Zahlreiche Werkstoffe, einschließlich Goldlack -sowie Metalle wie Silber, Kupfer, Blei-Zinn-Lötlegierungen usw. wurden geprüft. Bei all diesen V/erkstoffen war jedoch entweder die Haftung zwischen dem Werkstoff und dem Stab bo gering, daß der Werkstoff leicht von dem Stab abzureiben war, oder es wurde der Werkstoff selbst von der Streustrahlung in solchem Maße angegriffen, daß seine Undurchsichtigkeit beeinträchtigt wurde. Das Problem, eine leicht entfernbar© Abdichtung zwischen den Enden des laseraktiven Stabes und dem Gehäuse der Anordnung zu schaffen und gleichzeitig das Dichtungsmaterial gegen eine Beschädigung durch die Strahlung zu schützen, schien tatsächlich sehr schwierig und hat bisher keine echte Lösung gefunden*

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Laserkühlsystem, bei dem ein unter hohem Druck stehendes Kühlgas umgewälzt und an dem laseraktiven Stab vorbeigeführt wird, eine leicht lösbare Anordnung zum Abdichten der Enden des laseraktiven Stabes gegenüber dem Gehäuse des Systems in einer solchen Weise zu schaffen, daß die vom Laser emittierte kohärente Strahlung an einem Passieren des Kühlgases gehindert und zugleich gewährleistet ist, daß das Dichtmaterial vollständig gegen eine Beschädigung durch eine gestreute Strahlung geschützt ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die B".den des Stabes in Sitzen gehalten sind, die an einander gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses angebracht

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— Zj. _

sind und Je eine einen Endabschnitt des Stabes umgebende Ringnut aufweisen, daß jeder Endabschnitt des Stabes von einem Chromband umgeben ist und in jeder Ringnut ein elastischer O-Ring angeordnet ist, der den jeweiligen Sitz gegenüber dem Stab hermetisch abdichtet» Bei dieser Anordnung schützen die Chrombänder die O-Ringe sicher gegen jede Beschädigung durch die von der Anregungs-Blitzlampe ausgehende, gestreute Strahlung«

ψ Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles· Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden«, Die Zeichnung zeigt, teilweise im Längsschnitt, in schematischer Darstellung einen gekühlten Pestkörperlaser mit einer Anordnung nach der Erfindung.

Der in der Zeichnung dargestellte, gekühlte Festkörperlaser 10 weist ein im wesentlichen rechteckiges Gehäuse t 12 auf, das vorzugsweise aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium, besteht· Im unteren Abschnitt des Gehäuses 12 ist ein Stab 14 aus einem laseraktiven Material angeordnet. Der Stab 14 kann beispielsweise aus Hd:YAG, Rubin oder einem anderen Festkörperlaser-V/erkstoff bestehen. Seitlich zum laseraktiven Stab 14 ist in dessen Nähe eine Blitzlampe 16 angebracht, die zur Anregung des laseraktiven Stabes dient. Eine rohrförmig^ Abschirmung 18 aus einem hochreflektierenden Material, wie beispielsweise vergoldetem Aluminium, umgibt

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den lan eraktiven Sta"b 14 und die Blitzlampe 16, 30 daß sie die Anregungsstrahlung der Blitzlampe 16 auf den laseraktiven Stab 14 konzentriert. Obwohl e3 sich bei dem dargestellten Festkörperlaser um einen optischen Verstärker handelt versteht es sich, daß ein Betrieb der dargestellten Einrichtung auch als optischer Sender möglich wäre, wenn an den entgegengesetzten Enden des laseraktiven Stabes 14 geeignete Keflektoren angebracht würden,,

Um die von dem laseraktiven Stab 14 und der Blitzlampe erzeugte Wärme abzuführen, ist eine Einrichtung zum Umwälzen und Vorbeiführen eines unter hohem Druck stehenden Kühlgases an dem laseraktiven Stab 14 und der Blitzlampe 16 vorgesehene Beispielsweise kann als Kühlgas Stickstoff unter einem Druck von etwa 20 at verwendet werden, obwohl auch andere Gase wie Helium oder Argon geeignet sind. Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Wandelement 20 derart angeordnet, daß es einen Strömungsweg für das Kühlgas definiert, der von dem Wär-meaustauschbereich 24 an dem laseraktiven Stab 14 und der Blitzlampe 16 vorbei und wieder zurück zum l/ärmeaustauschbereich 24 führt. Das unter hohem Druck stehende Kühlgas wird an dem laseraktiven Stab 14 und der Blitzlampe 16 vorbei mit Hilfe einer ventilatorartigen Pumpe 26 umgewälzt. Die von dem Stab 14 und der Blitzlampe 16 abgeführte und von dem Kühlgas zum WärmeauHtaunchbereich 24 mitgenommene Wärme wird auf eine Vielzahl von Wärmeaustauscherlamellen 28 übertragen, die von einer Wand des Gehäuses 12 nach innen in den Wäri.ieaur;tauschbereich>'24 hineinragen. Die Lamellen 28 führen die Wärme durch die Gehäusewände an eine Vielzahl

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äußerer Lamellen 50 ab, die sowohl von der oberen als auch der unteren "Jand des Gehäuses 12 nach außen abstehen. Die äußeren Laraellen 50 übertragen ihrerseits die Wärme durch Konvektion an ein umgebendes Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, das an den äußeren Lamellen JO mit Hilfe eines Gebläses 52 vorbeigetrieben wird_e

Ura, wie oben erwähnt, zu' verhindern, daß Turbulenzen des umgewälzten, unter hohem Druck stehenden Gases den Y/irkungsgrad des Lasers beeinträchtigen, sind die Enden des laseraktiven Stabes 14- gegenüber dem Gehäuse 12 in einer solchen V/eise abgedichtet, daß die emittierre kohärente Strahlung das Kühlgas nicht zu durchdringen braucht. In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ende des laseraktiven Stabes 14-unmittelbar gegenüber einem Teil des Gehäuses 12 abgedichtet, wogegen das andere Ende des laseraktiven Stabes 14 gegenüber dem Gehäuse 12 unter Zwischenschaltung eines entfernbaren rohrförmigen Teiles abgedichtet ist, das einen Zugang zum Inneren des Gehäuses gestattet, wenn es erforderlich, den Stab 14- zu entfernen oder zu ersetzen« Es versteht sich jedoch, daß eine Anordnung mit einem entfernbaren rohrförmigen Teil an jedem Ende des Stabes 14- angebracht v/erden könnte.

Wie ersichtlich, ist das Gehäuse 12 mit einem rohrförmigen Ansatz 54- versehen, der von dem Gehäuse 12 in einem Bereich, der zur Aufnahme dew laseraktiven Stabes 14- "bestimmt ist, nach innen absteht. Per innere Endabschnitt 55 äe3 rohrförmigen Ansatzes $4- hat einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser des Stabes 14-,

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so daß er einen Sitz für dan benachbarte Ende dea Stäben 14- bildet. Der Innendurchmesser des restlichen Teiles dea Ansatzes 34· ist etwas geringer als der Durchmesser des Stabes 14, um eine Bewegung des Stabes 14 in dessen Längsrichtung innerhalb des Ansatzes 3^· zu begrenzen. Der Ansatz 34- weist ferner an seiner Innenfläche nahe seinen inneren Ende eine Ringnut 36 auf, die einen O-Ring 38 aus elastischem Material, wie beispielsweise Butylgummi, enthält, der eine hermetische Abdichtung zwischen dem rohrförmigen Ansatz 34· des Gehäuses und der Außenfläche des benachbarten Endes des Stabdes 14 bildet. Es sei betont, daß bei ausreichender Länge des laseraktiven Stabes 14 die Anbringung eines rohrförmigen .Ansatzes 3^- nicht notwendig zu sein braucht und das Ende des Stabes 14 unmittelbar in eine ringförmige Ausnehmung der Wand des Gehäuses 12 eingreifen kann.

Von der Wand des Gehäuses 12, die der YJand mit dem rohrförmigen Ansatz 34- gegenüberliegt, steht ein rohrförmigen Ansatz 40 nach innen ab, der zu dem anderen rohrförmigen Ansatz 34 koaxial ausgerichtet ist. In diesen rohrförmigen Ansatz 40 ist ein rohrföruiges Teil 42 eingesetzt, das das benachbarte Ende des laßeraktiven. Stabes 14 hält und zugleich eine hermetische Abdichtung zwischen dem Stab 14 und den rohrförmigen Ansatz 40 bildet. Der innere Endabschnitt 43 des rohrförmigen Geiles 42 hat einen Innendurchmesser, der etwas größer ist ala der Durchmesser des Stabes 14, um einen Sitz für das Ende des Stabes 14 zu bilden, wogegen der Innendurchmesser des restlichen Abschnittes des rohrförmigen Teiles 42 etwas geringer ist als der Durchmesser des Stabes 14, um eine Bewegung des

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Stabes 14- in dessen Längsrichtung innerhalb des rohrförmigen Teiles 4-2 zu begrenzen, nachdem der Stab 14- und das rohrförrriige Teil 4-2 in die gewünschte Stellung gebracht worden sind.

Das rohrförmige Teil 4-2 weist an seiner Innenfläche nahe seinem inneren Ende eine Ringnut 44 und außerdem im Bereich seiner Kitte an seiner Außenfläche eine Ringnut 4-6 auf. Die innere Ringnut 4-4- enthält einen elastischen O-Ring 4-8, der den Stab 14- gegenüber dem rohrförmigen Teil 4-2 hermetisch abdichtet, während die äußere Ringnut 4-6 einen elastischen O-Ring 50 aufnimmt, der eine hermetische Abdichtung zwischen dem rohrförmigen Teil 42 und dem rohrförmigen Ansatz 4-0 bewirkt. Ein Teil der Innenfläche des rohrförmigen Ansatzes 4-0 und ein Teil der Außenfläche des rohrförmigen Teiles 4-2 können mit komplementären Gewinden 52 versehen sein, so daß das rohrförmige Teil 4-2 in den Ansatz 4-0 eingeschraubt werden kann. V/eiterhin kann eine Konterschraube 5^- in den Ansatz 4-0 eingedreht und gegen das äußere Ende des rohrförmigen Teiles 4-0 geschraubt sein, um auf diese Weise den laseraktiven Stab 14- in der gewünschten Stellung innerhalb der Enden des rohrförmigen Ansatzes 34- und des rohrförmigen Teiles 4-2 zu halten.

Um die 0-ilinge 36 und 4-4- gegen eine Beschädigung durch die von der Blitzlampe 16 ausgehende Strahlung, die von dem laseraktiven Stab 14- radial nach außen gestreut wird, zu schützen, sind die Außenflächen an jedem Ende des Stabes 14-mit einem Chromband 56 bedeckt. Jedes Chromband 56 erstr-3ckt sich in Längsrichtung des Stabes 14· von dem entsprechenden Ende des Stabes über eine Strecke, die größer

ist ala die Breite der benachbarten Ringnut 36"bzw, 44. Vorzugsweise werden die Chromschichten 56 durch Aufdampfen von Chrom mit einer Dicke hergestellt, die ausreichend ist, um eine Lichtundurchlässigkeit des abgeschiedenen Chroms von wenigstens 99?» zu erreichen.

Iiα hat ,'iich herausgestellt, daß Chrom unter den Werkstoffen, die bei den Versuchen,.die O-Ringe gegen die Gtreustrahlung zu schützen, benutzt worden sind, einzigartige Eigenschaften aufweist. Chrom hat nicht nur selbst eine hohe Beständigkeit gegen solche Streustrahlung, sondern haftet auch sehr gut an der Staboberfläche, so daß eine hohe Beständigkeit der Bänder 56 auf deia Stab 14 gewährleistet ist;. Durch die vorliegende Erfindung wird demnach eine leicht lösbare, hermetische Abdichtung zwischen den Enden des Stabes 14 und dem Gehäuse 12 geschaffen, die zugleich gewährleistet", daß das Abdichtmaterial gegen eine Beschädigung durch gestreute Strahlung vollständig geschützt ist.

Obwohl die Erfindung anhand eines apeziellen Ausführungsocispieles beschrieben worden ist, versteht es sich, daß zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

ι O 9 B 8 4 / r: ! ■-]

BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. -.10 -

   Patentansprüche

   Ί. l/Vnordnung sun .»Jjdichten des laseraktiven Stabes ^-—^ eines Pestkörperlasers gegenüber dessen Gehäuse,

   indem zur Kühlung des laseraktiven Stabes ein unter Druck stehendes Gas umgewälzt v/ird, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Stabes (14) in Sitzen (34 und 42) gehalten sind, die an einander gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses (12) ange-™ bracht sind und je eine einen Undabschnitt des

   Stabes (14) umgebende Kingnut (36 bzw. 44) aufweisen, daß jeder Endabschnitt des Stabes (14) von einem Chromband (56) umgeben ist und in jeder Ringnut (36 bzw» 44) ein elastischer O-Ring (38 bzw. 48) angeordnet ist, der den jeweiligen Sitz (34 bzw. 42) gegenüber dem Stab (14) hermetisch abdichtet»

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromband zu wenigstens 99% lichtundurchlässig ist.

   || 3» Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sitze einen von einer Wand des Gehäuses (12) nach innen vorspringenden rohrförmigen Ansatz (40) und ein in dem rohrförmigen Ansatz lösbar angeordnetes rohrförmiges Teil (42) umfaßt, das an seiner Innenseite die Ringnut (44) mit dem den 'Endabschnitt des Stabes (14) umschließenden O-Ring (48) aufweist und außerdem an seiner Außenseite mit einer weiteren Kingnut (46) versehen ist, in der sich ein daa rohrförmige Teil (42) gegenüber dor Innenfläche des rohrförmigen

   / 1

   BAD ORKBfNAL

   Ansatzes (40) abdichtender, v/eiterer elastiocher O-Hing (50) "befindet.

   4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (4-2) in den rohrförmigen Ansatz (40) eingeschraubt ist.

   5« Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförnige Teil (42) in den rohrförmigen Ansatz (40) durch eine in den rohrförmigen Ansatz (40) eingedrehte Konterschraube (5^) gesichert ist.

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